CN105861370A

CN105861370A - 一种微藻的高密度培养及预采收方法

Info

Publication number: CN105861370A
Application number: CN201610261951.3A
Authority: CN
Inventors: 任洪艳; 王雪飞; 阮文权
Original assignee: Jiangnan University
Current assignee: Jiangnan University
Priority date: 2016-04-25
Filing date: 2016-04-25
Publication date: 2016-08-17

Abstract

本发明公开了一种微藻的高密度培养及预采收方法，属于微藻生物技术领域。本发明的微藻高密度培养及预采收方法，是在光生物反应器中添加微藻培养基，将藻细胞接种于光生物反应器中，微藻培养过程中通过膜组件的过滤作用，将藻细胞截留在反应器中，排出过滤液，实现藻液浓缩得到藻产品并进行采收，同时将过滤液循环至光生物反应器中重复利用。在微藻培养过程中，本发明可以节约水资源节约营养盐，降低微藻培养成本。

Description

一种微藻的高密度培养及预采收方法

技术领域

本发明涉及一种微藻的高密度培养及预采收方法，属于微藻生物技术领域。

背景技术

微藻细胞富含蛋白质、脂质和多糖等，在食品、医药以及化工等方面应用越来越广泛。限制微藻大规模工业化利用的主要因素是藻产品成本较高，尤其是在微藻培养和采收方面。

目前微藻培养系统的两种主要类型是开放式跑道池和封闭式光生物反应器。传统的光生物反应器没有固液分离功能，反应器中的水力停留时间和微藻停留时间是相同的，获得的生物质浓度较低，给后续采收过程带来很大的难度。膜光生物反应器将光生物反应器同过滤器相耦合，进而实现藻水分离，且膜过滤操作简单，在微藻培养和采收方面的应用越来越多。

微藻培养过程中，营养盐成本占微藻培养成本比重很大，其中碳源、氮源及磷源成本占微藻培养总成本的20％～30％；同时，微藻培养需要消耗大量的水资源。此外，采收过程中存在微藻生物量偏低、藻水分离难度大、藻细胞不易收获等技术问题。因此，寻求高效率的微藻分离采收技术并降低微藻培养过程中营养盐和水资源消耗，是当前亟需解决的问题。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，目的在于提供一种微藻高密度培养及预采收方法，通过安装在过滤槽中外置式的膜组件(膜渗透装置)，对藻液进行过滤浓缩，提高藻产品浓度；同时循环利用培养液，节约营养盐节约水资源，降低微藻培养和采收过程中的成本。

本发明的微藻高密度培养及预采收方法，按以下步骤进行：

膜光生物反应器中添加微藻培养基，将藻细胞接种于光生物反应装置中，接种密度为0.1g/L～0.6g/L；光强为3000lux～6000lux，光源为自然光源或人造光源，光暗比为12:12～16:8；温度为25℃～35℃；通过气体供给装置在光生物反应装置和过滤槽中连续曝气，曝气量为0.1vvm～0.3vvm；微藻培养过程中通过膜组件的过滤作用，将藻细胞截留在反应器中，排出过滤液，实现藻液浓缩得到藻产品并进行采收，同时将过滤液循环至光生物反应器中重复利用。

在本发明的一种实施方式中，当藻细胞进入对数期(浓度较高且生长速率较快时)采用半连续操作培养螺旋藻，稀释率D＝0.08d-¹；每天对藻产品进行采收，同时利用一定体积的去离子水代替微藻培养基补加至光生物反应器中，维持反应器中藻液体。

在本发明的一种实施方式中，所述半连续操作培养为每天定时对藻产品进行采收，同时利用一定体积的去离子水代替微藻培养基补加至光生物反应器中，维持反应器中藻液体积不变。

在本发明的一种实施方式中，所述方法是：于膜光生物反应器中添加微藻培养基，将藻细胞接种于光生物反应装置中，使其初始藻密度(接种密度)约为0.5g/L，于光强3000Lux，温度(30±1)℃，光暗比16/8条件下培养；在培养期间利用空气泵以曝气的方式向光生物反应器中不间断通入空气，气速为1.63L/min；当藻细胞进入对数期--浓度较高且生长速率较快时，采用半连续操作培养螺旋藻，稀释率分别选取D＝0.08d^-1，0.10d^-1，0.13d^-1，通过膜组件的过滤作用，实现藻液浓缩得到藻产品，同时将过滤液循环至光生物反应器中重复利用；每天对藻产品进行采收，同时利用一定体积的去离子水代替微藻培养基补加至光生物反应器中，维持反应器中藻液体积不变。

在本发明的一种实施方式中，所述稀释率为每天加入至反应器中微藻培养基的体积与反应器中培养基总体积之比，计算公式：

D = \frac{V_{i n}}{V}

式中D-稀释率，d^-1；V_in-每天加入至反应器中微藻培养基的体积，L/d；V-反应器中培养基总体积，L。

在本发明的一种实施方式中，所述微藻为螺旋藻。

在本发明的一种实施方式中，所述微藻为固碳螺旋藻FACHB-901(购自中科院水生生物研究所淡水藻种库)。

在本发明的一种实施方式中，所述微藻培养基为Zarrouk培养基。

在本发明的一种实施方式中，所述方法是在膜光生物反应器中加入微藻培养基培养微藻，利用膜组件的过滤作用对微藻进行采收，同时循环利用培养液。

在本发明的一种实施方式中，所述方法是利用PVDF膜组件过滤，当藻液密度达到1.8g/L～1.9g/L时采用半连续操作培养，体积浓缩系数为2。

在本发明的一种实施方式中，微藻培养过程中在线监测培养基中溶氧值、pH值，维持微藻最佳的生长条件。

在本发明的一种实施方式中，培养和采收过程中连续曝气，使藻液混合均匀同时减少膜污染。

在本发明的一种实施方式中，所述膜光生物反应器包括光生物反应装置、光照装置、气体供给装置、膜渗透装置、过滤槽、渗透液收集装置；所述光照装置位于光生物反应装置外侧；所述光生物反应装置上部设有第一进样口和出气口，下部设有第一出样口和第一膜组件卡槽，底部设有第一微孔曝气管；所述气体供给装置通过管道与光生物反应装置底部的第一微孔曝气管相连；所述膜渗透装置安装在通过管道与光生物反应装置相连的过滤槽中；所述膜渗透装置和渗透液收集装置通过蠕动泵相连；所述渗透液收集装置通过循环管道与光生物反应装置相连。

在本发明的一种实施方式中，所述过滤槽上部设有第二进样口，下部设有第二出样口、第二膜组件卡槽，底部设有第二微孔曝气管；所述第二微孔曝气管与气体供给装置相连。

在本发明的一种实施方式中，所述光生物反应器是将光生物反应装置与过滤器耦合，将膜渗透装置安装在过滤槽中，为外置式膜光生物反应器。

在本发明的一种实施方式中，所述光生物反应装置，顶部法兰固定并密封，法兰上插入溶氧检测探头、pH检测探头和CO₂检测探头。根据溶氧检测探头、pH检测探头的在线监测数值，随时调控培养液的溶氧浓度和pH值，维持微藻适宜的生长条件。

在本发明的一种实施方式中，所述光生物反应器，为9.4L光生物反应器(有效体积为7.4L)，于GXZ-380B光照培养箱中进行恒温培养。

在本发明的一种实施方式中，所述膜组件，使用的膜为平板微滤膜，通过硅胶管与蠕动泵相连接，将微藻细胞完全截留过滤槽中。根据不同藻种和培养体系的特点来筛选不同的膜材料及膜孔径；膜材料可以是PVDF、PTEE、PVC、PE或尼龙材质等，膜孔径可以是0.3～3.0微米孔径的膜片。

在本发明的一种实施方式中，所述气体供给装置，包括空气供给装置和CO₂供给装置。通过微孔曝气管进行曝气。微孔曝气管形成的气泡微小，起到搅拌作用，有效的保证了反应装置内部藻液营养分布均匀一致，避免光生物反应装置内存在死角的问题，降低细胞贴壁生长；曝气能够对膜片表面进行有效的水力冲刷，防止在抽滤过程中微藻细胞在膜表面过度沉积，在运行过程中对膜表面的污染起到减缓作用。

本发明的有益效果：

(1)采用本发明方法，在采收过程中无需使用助凝剂和絮凝剂等化学药品。

(2)本发明方法中，通过一定体积的去离子水代替Zarrouk培养基补加到光生物反应器中，降低螺旋藻培养成本；

(3)本发明方法中可循环利用过滤液，节约水资源节约营养盐；当稀释率D＝0.08d-¹，膜光生物反应器中生物质平均采收量0.983g/d，每获得1g微藻生物质，可节约水、氮、磷的量分别为0.301L、0.248g、0.053g。

附图说明

图1为外置式膜光生物反应器结构示意图；其中：1.光生物反应装置，2.膜渗透装置，3.过滤槽，4.光生物反应装置微孔曝气管(第一微孔曝气管)，5.光生物反应装置出样口(第一出样口)，6.光生物反应装置膜组件卡槽(第一膜组件卡槽)，7.光生物反应装置进样口(第一进样口)，8.出气口，9.法兰，10.气体供给装置，11.气体流量计，12.光照装置，13.蠕动泵，14.过滤槽出样口(第二出样口)，15.过滤槽膜组件卡槽(第二膜组件卡槽)，16.过滤槽进样口(第二进样口)，17.渗透液收集装置，18.渗透液收集装置出样口(第三出样口)，19.过滤槽微孔曝气管(第二微孔曝气管)；

图2：光生物反应器钝顶螺旋藻在生物量和pH变化；

图3：膜通量和藻液体积浓缩系数的变化；

图4：膜光生物反应器中不同稀释率下螺旋藻生物量和pH变化；其中，a中的▲反应器是指在光生物反应器中的藻浓度，█藻产品是指过滤槽中藻浓度；

图5：膜光生物反应器中培养开始和结束时藻液中氮磷变化。

具体实施方式

实施例1：膜光生物反应器

本发明所采用的膜光生物反应器，如图1所示，主要包括光生物反应装置1、光照装置12、气体供给装置10、膜渗透装置2、渗透液收集装置17。光照装置12位于光生物反应装置1的外侧，光生物反应装置1的上部设有第一进样口7和出气口8，下部设有第一出样口5和第一膜组件卡槽6，底部设有第一微孔曝气管4。气体供给装置10通过管道与光生物反应装置1底部的第一微孔曝气管4相连以及与过滤槽3底部的第二微孔曝气管19相连，气体供给装置10包括空气供给装置和CO₂供给装置，空气供给装置和CO₂供给装置上分别连接气体流量计11。光生物反应装置1的顶部通过法兰上9密封，法兰9上打孔，可以插入各种监测探头。膜渗透装置2和渗透液收集装置17通过蠕动泵13相连，渗透液收集装置13通过循环管道与光生物反应装置1相连。所述光生物反应装置1与过滤槽3的连接管道上、膜渗透装置2与渗透液收集装置17的连接管道上、渗透液收集装置17与光生物反应装置1的连接管道上，均设有流量计。

其中：膜渗透装置2安装在通过管道与光生物反应装置相连的过滤槽3中，过滤槽3上部设有第二进样口16，下部设有第二出样口14、第二膜组件卡槽15，底部设有第二微孔曝气管19；所述第二微孔曝气管19与气体供给装置10相连。

实施例2：钝顶螺旋藻在光生物反应器中的生长情况

本实施例中所用的螺旋藻Spirulinaplatensis，其购自中科院水生生物研究所淡水藻种库，编号FACHB-901。首先考察钝顶螺旋藻在光生物反应器中的生长情况，培养基为改良的Zarrouk培养基，其主要成分及配置使用方法见表1、2(A₅液按每升培养基加入1mL)。培养箱设置光照为3000Lux，光暗比为16/8，培养箱温度控制在30±1℃。随着培养时间的进行，藻密度逐渐增大，第1～10天螺旋藻生长较快，生物量达到1.837g/L；培养至16天，生物量稳定在2.122g/L左右，如图2a所示。从图2b中可以看出，随着螺旋藻的生长，pH值从初始9.14升高至9.88，在螺旋藻生长的适合范围内。为维持反应器中适宜的藻浓度、保证较高生物量浓度下螺旋藻的快速生长、提高生物量产率，同时避免PBR中藻浓度太高而产生光遮蔽现象。根据生长曲线知螺旋藻在第7～10天生长较快、生物量较高，所以选择螺旋藻生物量浓度在1.5g/L～1.8g/L范围内进行后续实验。

表1改良的Zarrouk培养基

表2微量元素储备液A₅

实施例3：膜光生物反应器中体积浓缩系数的确定

MPBR中利用膜组件对藻液进行过滤、浓缩时，增大藻液的体积浓缩系数(体积浓缩系数F_in-加入至过滤槽中藻液体积，L；F_in-过滤槽中剩余藻液体积，L)可提高藻产品生物量浓度，但体积浓缩系数太高会加重膜污染，因此需选择合适的体积浓缩系数。

藻液浓度为1.855g/L时，于过滤槽中进行实验，结果如图3所示：随着体积浓缩系数的增大，藻液浓度变大，膜通量逐渐降低；第30min时藻液体积浓缩系数达到2.082，此时膜通量由初始值3.803L/(m²·min)下降至2.970L/(m²·min)，下降了21.92％。在膜组件使用过程中，为保持较高的膜通量水平，提高膜的使用寿命，防止膜污染加重对膜造成损坏以及增加运行成本，在一定压力下，当膜通量下降20％左右时，需进行膜清洗。因此，利用PVDF膜组件过滤，浓缩生物量浓度约为1.8g/L的藻液时，体积浓缩系数最大为2，可最大程度浓缩藻液。

实施例4：膜光生物反应器中培养和预采收螺旋藻

选择体积浓缩系数为2，初始藻液浓度为1.828g/L进行膜光生物反应器中培养和预采收螺旋藻的实验研究，不同稀释率下钝顶螺旋藻生物量浓度和pH变化如图4所示。从图4中可以看出，D＝0.08d^-1时反应器中螺旋藻生物量浓度稳定在1.820g/L左右；D＝0.10d^-1时生物量浓度开始下降，开始出现冲刷现象；当D增大到0.13d^-1时生物量浓度持续下降，出现了明显的冲刷现象，导致反应器中生物量浓度不断降低，因此，确定膜光生物反应器的最佳稀释率为0.08d^-1。

在培养过程中对培养液中的氮磷进行了监测，氮磷浓度变化如图5所示。氮磷浓度均随着培养时间的进行而下降，分别从初始的297.338mg/L、75.945mg/L分别减少至198.908mg/L、55.105mg/L。在第7天实验结束时，培养液中均剩余一定量氮磷营养盐，pH值也在螺旋藻生长的适合范围内，表明实验中培养液中氮磷浓度能够满足螺旋藻的生长需求，加入的去离子水并未对螺旋藻的生长产生不良影响。由此可见，一定时间内可以用一定体积的去离子水代替Zarrouk培养基补加到光生物反应器中，降低螺旋藻培养成本。

膜光生物反应器中可将浓缩藻液过程中获得的过滤液循环至光生物反应器中重复利用，减少微藻培养过程中营养盐和水资源的消耗量，降低培养成本。最佳稀释率D＝0.08d^-1条件下，每天培养结束采收藻液后，膜光生物反应器中需补加296ml过滤液和296ml去离子水，光生物反应器中需补加592ml Zarrouk培养基；由此可见，与普通光生物反应器相比，按照本发明方法，采用膜光生物反应器每天节约水资源、氮、磷营养盐的使用量分别为296ml水、1.48g NaNO₃、0.296g K₂HPO₄；膜光生物反应器中生物质平均采收量0.983g/d，即获得1g生物量，膜光生物反应器中可节约水、氮、磷的量分别为0.301L、0.248g、0.053g。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可做各种的改动与修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。

Claims

1.一种微藻的高密度培养及预采收方法，其特征在于，所述方法按以下步骤进行：膜光生物反应器中添加微藻培养基，将藻细胞接种于光生物反应装置中，接种密度为0.1g/L～0.6g/L；光强为3000lux～6000lux，光源为自然光源或人造光源，光暗比为12:12～16:8；温度为25℃～35℃；通过气体供给装置在光生物反应装置和过滤槽中连续曝气，曝气量为0.1vvm～0.3vvm；微藻培养过程中通过膜组件的过滤作用，将藻细胞截留在反应器中，排出过滤液，实现藻液浓缩得到藻产品并进行采收，同时将过滤液循环至光生物反应器中重复利用。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法采用半连续操作培养螺旋藻，最佳稀释率D＝0.08d^-1；每天对藻产品进行采收，同时利用一定体积的去离子水代替微藻培养基补加至光生物反应器中，维持反应器中藻液体积不变。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，膜组件安装在过滤槽中。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述微藻培养基为Zarrouk培养基。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述微藻为螺旋藻。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法是在膜光生物反应器中加入微藻培养基培养微藻，利用膜组件的过滤作用对微藻进行采收，同时循环利用培养液。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法是利用PVDF膜组件过滤，当藻液密度达到1.8g/L～1.9g/L时采用半连续操作培养，体积浓缩系数为2。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，培养和采收过程中连续曝气，使藻液混合均匀同时减少膜污染。

9.利用权利要求1-8任一所述微藻培养基培养得到的微藻。

10.权利要求9所述微藻在食品、化工、药物制备方面的应用。